عديد حمض اللبنيك

عديد حمض اللبنيك
متعدد حمض اللبنيك أو متعدد حمض اللاكتيك ، ويرمز له اختصارًا PLA، وهو بوليمير ذو كتلة جزيئية عالية، بنيته التركيبية هي -O-CH(CH3)-CO-، فهو متعدد إستر أليفاتي، متفكك حيوياً، ويتفكك إلى ماء وثاني أكسيد الكربون، إلا أن نسبة ثاني أكسيد الكربون لا تزداد نتيجة تفككه لأنه يستهلك من الجو أثناء نمو النبات التي يصنع منها PLA. وهو من اللدائن المتلدنة حرارياً. يصنع من الموارد المتجددة سنوياً، مثل نشاء الذرة (في الولايات المتحدة) أو من قصب السكر (في بقية العالم). بالرغم من أن عديد حمض اللبنيك معروف لأكثر من قرن، إلا أن الاهتمام التجاري ازداد فقط في السنوات الأخيرة، بسبب سطوع نجم المواد المتفككة حيوياً.
تاريخ
أول من برهن على وجود حمض اللبنيك هو الكيميائي السويدي كارل فلهلم شيله (1742-1786) الذي كان أول من برهن على وجود حمض اللاكتيك. ويعود أول إنتاج تجاري له إلى سنة 1881م كما أن تحول عديد السكريد إلى حمض اللبنيك معروف منذ قرون في مجال الزراعة وحفظ الأطعمة. وقد لاحظ الكيميائي الفرنسي براكونو (Braconnot)، أنه يمكن تصنيع حمض اللبنيك بعمليات التخمير. وقد نشر غي لوساك (Gay-Lussac) وبلوز (Pelouze) طريقة إنتاج اللاكتيد في سنة 1833 وكذلك بيشوف (Bischoff) وفالدن (Walden) سنة 1893م. وقد وضعت براءة اختراع في فرنسا سنة 1913 لإنتاج اللاكتيد شركة (Chemische Werke)، وكذلك في الولايات المتحدة سنة 1914 لأصحابها (Grüter وPohl).
في سنة 1932، قام كاروثرز وهو باحث في شركة دوبونت بتصنيع أول بوليمير متعدد حمض اللبنيك. فبتسخين حمض اللبنيك في جو مفرغ ينتج متعدد اللبنيك بكتلة جزيئية منخفضة ، ولكن الطريقة بقيت محدودة بالاستخدام الصناعي. وفي الولايات المتحدة، وظفت شركات دوبونت وإثيكون (Ethicon Inc) متعدد حمض اللبنيك منذ 1954 في التطبيقات الطبية مثل خيوط الجراحة والغرسات وفي إطلاق الأدوية الداخلي الموجه. وقد قامت شركات يابانية مثل شيماتزو كوربوريشن وميتسوي للكيماويات بإنتاج كميات صغيرة من المنتجات البلاستيكية من متعدد حمض اللاكتيك. وفي سنة 1986، وصِفَ متعدد حمض اللبنيك بأن له إمكانية أن يكون منتجًا بلاستيكيًا. وفي سنة 1988، كانت شركة كارغيل إحدى أوائل الشركات التي طورت بوليميرات متعدد حمض اللبنيك، فقد بدأت هذه الشركة البحث عن تقنية إنتاج PLA في سنة 1987، وأنتجت كميات كبيرة في مصنعها سنة 1992م. وفي سنة 1994، أنشأت مصنعًا باستطاعة إنتاج 5000 طنًا سنويًا من PLA. وفي سنة 1997، قامت شركة كارغيل بالتعاون مع شركة داو للكيماويات، بهدف تسويق PLA، وهذا دفع إلى إنشاء نيتشر وركس تكنولوجي في سنة 2001. وأسس مصنع جديد كبير لإنتاج PLA في بلير، نبراسكا. وقد تعاونت الشركتان اليابانيتان، شيمادزو (Shimadzu) وكانيبو غوزين لإنتاج ألياف من متعدد حمض اللبنيك مخبريًا بطريقة الغزل المصهور في سنة 1992م. وفي سنة 1994م، أنتجت الشركة اليابانية كانيبو غوزين ألياف PLA باسم تجاري لاكترون (Lactron)، وأنتجت أيضًا قماشًا غير منسوج بطريقة الصهر باستطاعة إنتاجية 3000 طن سنويًا. وقد استخدم هذا القماش غير المنسوج في التطبيقات الزراعية بسبب تحللها السهل. وفي سنة 1997، أنتجت الشركة الفرنسية فيبر ويب (Fiberweb S.A.) قماشًا غير منسوج بطريقة الصهر باسم تجاري ديبوزا (Deposa). ومنذ 1998، أنتجت شركتي كارغيل وبوراك بيوكيم (Purac Biochem BV) بوليمير PLA باستطاعة 34000 طن سنويًا. كما أن شركة كارغيل داو، بعد أندماج الشركتين، أنشأت مصنعًا لإنتاج PLA من سكر العنب باستطاعة 40000 طن سنويًا، وأنتج بوليمير EcoPLA. وقد أطلقت الشركة اليابانية كانيبو ألياف لاكترون من PLA لتصنيع الألبسة في سنة 1998. وفي سنة 2000، زادت كارغيل داو من قدرتها الإنتاجية لألياف EcoPLA حتى 80000 طن سنويًا. وفي بلير، نبراسكا في الولايات المتحدة بدأت بإنتاج نيتشر وركس بقدرة إنتاجية 140000 طن سنويًا في سنة 2002 ، باستثمار قدره 300 مليون دولار واستخدام 1000 طن من الذرة يوميًا. وفي بداية 2003، قدمت شركة كارغيل داو إلى السوق ألياف إنجيو من PLA مصنوعة من بوليمير شركة نيتشر وركس.
مصادر حمض اللبنيك
ينتج حمض اللبنيك من تخمير سكر العنب وهو مادة زراعية 100%، متجددة سنويًا، يمكن الحصول عليها عادة من الذرة. وأغلب السكاكر البسيطة عمومًا التي تنتج عن المنتجات الثانوية الزراعية يمكن أن تستخدم لإنتاج سكر العنب. هذه السكاكر تتضمن:
سكر العنب، المالتوز والدكستروز من الذرة أو نشا البطاطا أو الأرز.
السكروز من قصب السكر أو الشوندر السكري.
لاكتوز مصالة الجبنة.
حاليًا، تعد الذرة مصدرًا لسكر العنب، وهو الأرخص والأكثر وفرة. قد يتغير المصدر في المستقبل إلى الكتلة الحيوية الليغنوسليولوزية (Lignocellulosic biomass) مثل الأعشاب، وسيقان نبات الذرة والأرز والقمح، والباغاس.
التركيب
يستخدم التخمير البكتيري لإنتاج حمض اللبنيك من نشاء الذرة أو قصب السكر. ولكن لا يمكن بلمرته مباشرة للوصول إلى مركب مفيد، لأن كل تفاعل بلمرة يعطي جزيء من الماء، الذي يؤدي بدوره إلى تفكيك السلسلة البوليميرية المتشكلة، ولا نحصل إلا على وزن جزيئي منخفض للبوليمير.
يوجد طريقتين لتصنيع هذا البوليمير:
تكثيف متعدد للجُزيئات (Polycondensation): تتضمن العملية إزالة الماء المصاحب لعملية البلمرة بتكثيفه واستخدام مذيب تحت الفراغ ودرجة حرارة عاليين. تعطي هذه الطريقة بوليميرات ذات وزن جزيئي منخفض، بسبب صعوبة إزالة الماء والشوائب.
بلمرة بالفتح الحلقي (Ring-opening polymerization): هذه أفضل طريقة لإنتاج بوليمير ذو وزن جزيئي كبير، وبكلفة أقل من سابقتها. إن تخمير السكر يعطي حمض لبنيك لا انطباقي. الجزئيات اللامنطبقة تكون كصورة مرآة أو متماكبة فراغياً. يمكن لحمض اللبنيك أن يتواجد بشكل متماكب فراغياً (L) و(D). تعطي طريقة البلمرة بالفتح الحلقي مزيجاً راسمياً (50%D و50% L). ولكن التخمير الدقيق يسمح بإنتاج نسبة كبيرة من أحد المتماكبين تصل إلى 99,5% من متماكب (L) و0,5% من المتماكب (D).
الخصائص الكيميائية والفيزيائية
الخصائص الفيزيائية لعديد حمض اللبنيك جعلته مناسبًا لعديد من التطبيقات، فهو بوليمر متلدن حراريًا شفاف، ذو صلابة عالية. وذو معامل مرونة يبلغ 3500 نيوتن/مم2، وهو مرتفع نسبيًا بالبوليمرات المتلدنة حراريًا المستخدمة في التعبئة والتغليف مثل عديد البروبيلين، والبوليسترين، والبوليستر. وبالنسبة للخصائص الفيزيائية، فإن PLA يقارن غالبًا بالبوليسترين. ومع أن هذا ليس صحيحًا تمامًا، إلا أن منتجات المادتين لهما أوجه تشابه عدة. فبوليمر PLA، كما هو البوليسترين، يتصف بمعامل مرونة عالية ولا يتحمل التعب «الصلابة». يمكن تحسين خصائص PLA تحسينًا كبيرًا بتوجيه المزيج أو البلمرة التساهمية.
تطبيقاته
النسيج
لقد أدت سهولة عملية الصهر المقترنة بطيف من الخواص الفريدة إلى استخدام متعدد حمض اللبنيك في تصنيعها بشكل ألياف نسيجية. تستخدم هذه الألياف في قطاعات النسيج الواسعة مثل الترابط الحراري، والتمشيط، والحياكة، والنسج. وقد أدى تنوع شكل وبنى والخصائص الميكانيكية الجيدة للشعيرات هذا التنوع في التطبيقات. الاستخدامات الأساسية للألياف والقماش غير المنسوج من PLA لا تقتصر على الملابس والأثاث مثل ملاءات السرير، وحشوة الوسائد والبطانيات والفرش والسجاد. وتشمل بعض التطبيقات المحتملة والمهمة تجاريًا، المناشف الورقية المنزلية والصناعية، وحفاضات الأطفال، ومنتجات النظافة للإناث، والملابس للاستعمال مرة واحدة، وبطانة الأحذية، والأقمشة المقاومة للأشعة فوق البنفسجية للاستخدام في الهواء الطلق (الخيام، غطاء للأرض، إلخ). هذه الألياف تقاوم تأثير الأشعة فوق البنفسجية، وهذا يجعلها فعالة للمنسوجات المنزلية. وتسعى بعض الشركات المصنعة إلى استخدامها بخلطها مع الصوف أو القطن لتصنيع الملابس الرياضية أو الملابس النسائية الداخلية. وقد صنعت بالفعل ملابس باستخدام هذه المواد بنسبة 100% من «ألياف الذرة» أو بخلصطها مع الصوف أو القطن أو الفسكوز، سواء في خيوط اللحمة أو السدى أو في القماش المحيك. وقد وجدت هذه الألياف طريقها إلى التطبيقات المختلفة مثل الترشيح ومواد التكسية الأرضية. وتقدم هذه الألياف وفقًا للدعاية المرافقة لها، الراحة التي تقدمها الألياف الطبيعية وخصائص الألياف الاصطناعية.
تطبيقات طبية
متعدد حمض اللبنيك مهم في الصناعة الطبية حيث استخدم منذ 25 سنة. فهو بوليمير متحلل حيويًا، ومتوافق حيويًا وقابلة للارتشاف الحيوي، إضافة إلى متانتها العالية وخواص التصنيع والقولبة الممتازة، مما يسمح باستخدامها من أجل التطبيقات الطبية والصيدلانية الحيوية. ولأن متعدد حمض اللبنيك يمكن امتصاصه في الجسم البشري، فقد استخدم في تطبيقات مهمة في أنظمة إطلاق الدواء. ومعظم هذه الأنظمة تقوم على مبدأ تآكل البوليمير الذي يحتوي على الدواء فيتحرر تدريجيًا بتحلل البوليمير وحلمهته و/أو بالتعديلات البنيوية في البوليمير. الصفة المميزة في البوليمير أن المادة تخضع، في الحيوية، لتحلمه رابطة الإستر في السلسلة الرئيسية للبوليمير، مما يؤدي إلى تشكل حمض اللبنيك غير الضار، الذي يستهلك في استقلاب السكريات في الجسم البشري. خواص متعدد حمض اللبنيك الميكانيكية وقدرة الجسم على امتصاصه جعلتا PLA مرشحًا مثاليًا للزرعات العظمية أو الأنسجة الرخوة (رضوح وجهي (facial traumatology)، وجراحة العظام، وطب العيون، وتقويم الأسنان، وزرعات موضعية لإطلاق الأدوية المضادة للسرطان)، ومن أجل الخيوط الجراحية الممتصة (جراحة العين، وجراحة (conjunctional surgery)، وجراحة الصدر والمعدة)، والغِرْسات، والجلد الاصطناعي، ومواد الترميم الجراحي (ترميم الأوعية الدموية) وفي هندسة النسج (أجهزة تقويم العظام، وأجهزة تثبيت طرفي العظم، والسقالة في عمليات التجديد). ويستغرق تحلل البوليمير 10 أشهر إلى 4 سنوات في الحيوية، وهذا يتبع لبنيته الدقيقة مثل التركيب الكيميائي، والمسامية، والبلورية التي قد تؤثر على الخواص الميكانيكية من أجل استخدامات محددة. تتميز الغرسات المصنعة من PLA في ترميم وإعادة توليد الأنسجة مقارنة بالغرسات المعدنية بالتقليدية بعدة ميزات، أهمها أنها مثلًا عند التثبيت بالبراغي المعدنية على العظم، وحالما ينمو العظم، وينتهي دور الغرسات، فإنها تضعف العظم، ولا يمكن إزالتها بسهولة. البلورية العالية والجساءة والتفكك البطيء لمتعدد حمض اللاكتيك غير المعدل حد من استخدامه كمادة للخيوط الجراحية. ولهذا السبب، يستخدم PLA كبوليمير إسهامي مع مواحيد حيوية أخرى، مثل حمض الغليكوليك للوصول إلى خواص محددة بدقة مطلوبة في البوليمير الإسهامي.
تغليف
تزايد في أوروبة، واليابان، والولايات المتحدة، استخدام متعدد حمض اللبنيك في السنوات الأخيرة في التغليف. فهذا البوليمير شفاف، وكلفته مقبولة، وهذا أمر أساسي للتغليف. وهو يقدم فترة جيدة للحفظ لأنها تتحلل ببطئ بالحلمهة في ظروف الاستخدام العادية، وهذا يمكن ضبطه بتعديل تركيب الكتلة الجزيئية للبوليمير.
وبسبب آلية التحلل، فإن PLA مناسب لعدد من التطبيقات في البيئات التي يكون فيها استرجاع المنتج غير عملي، مثل الفيلم اللدائني المستخدم في الزراعة. والازدياد الكبير المتوقع لاستخدام PLA في التطبيقات المختلفة ليس بسبب التحلل الحيوي للمادة فحسب، وإنما لأن اللدائن من PLA يمكن تصميمها لتصنع بتقنيات مختلفة، مثل القولبة بالحقن، والقولبة بالنفخ، والبثق، والتشكيل الحراري، وغزل الألياف. مواد التغليف من PLA المتوفرة في السوق تقدم خواصَ ميكانيكية أفضل من البوليستيرين، وهي تتصف بخواص تقارب خواص بولي إيثيلين تيرفثالات. الخواص الفنية لمنتجات نيتشر وركس حسنت من خواص الطي ومنع التسرب، واللمعان العالي، والشفافية، ومقاومة الشحوم الجيدة، ودرجة حرارة ختم منخفضة، والتلامس الغذائي المسموح. تستخدم بوليميرات PLA حاليًا في تصنيع قناني الماء، والصحون، وتغليف الأغذية مثل المشروبات وأدوات المائدة (الكؤوس والصحون والملاعق).
تطبيقات أخرى
يستخدم متعدد حمض اللبنيك أيضًا في تصنيع الأقراص المضغوطة لشركات مثل بيونير وسانيو، وفي المنتجات المستهلكة مثل حفاضات الأطفال، ومنتجات النظافة الشخصية، والأكياس البلاستيكية والفيلم اللدائني. ويوجد تطبيقات زراعية مثل ألبسة، وشبكات الخضار، والقماش الأرضي، والمرشحات، والبطاقات البلاستيكية، وأدوات صيد السمك.
إنتاجه
معرض صور
وصلات خارجية
مصادر
ألياف اصطناعية
لدائن حرارية
لدائن متحللة حيويا
متعددات الإستر
مواد شفافة